Совершенствование динамических характеристик коаксиальных шунтов переменного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат наук Бедарева, Елена Вячеславовна

• Бедарева, Елена Вячеславовна
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Бедарева, Елена Вячеславовна

Содержание

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Безындуктивные резистивные преобразователи

переменного тока

1.1 Шунты переменного тока

1.1.1 Электрическая модель шунта переменного тока

1.1.2 Метрологические характеристики шунта

1.2 Конструкции шунтов переменного тока

1.2.1 Плоские шунты

1.2.2 Дисковые шунты

1.2.3 Коаксиальные шунты

1.2.4 Стержневые шунты

1.3 Сравнительный анализ

1.4 Выводы к главе 1 39 ГЛАВА 2. Аналитическое описание коаксиальных шунтов 40 переменного тока

2.1 Конструктивные параметры коаксиального шунта

2.2 Тепловые параметры коаксиального шунта

2.2.1 Методика расчета нестационарного теплового режима

2.2.2 Моделирование полей коаксиального шунта методом конечных 57 элементов

2.2.2.1 Моделирование нестационарного температурного поля 60 коаксиального шунта

2.2.2.2 Моделирование стационарного температурного поля 69 коаксиального шунта

2.3 Расширение амплитудно-частотной характеристики коаксиального 72 шунта

2.3.1 Анализ возможностей амплитудной коррекции

2.3.2 Анализ чувствительности амплитудной коррекции к влияющим 77 факторам

2.3.3 Усовершенствованная схема амплитудной коррекции

2.4 Выводы к главе 2

ГЛАВА 3. Разработка программного обеспечения для расчета 85 параметров шунтов

3.1 Методика расчета параметров коаксиального шунта

3.2 Расчет параметров плоского бифилярного шунта

3.3 Алгоритм расчета параметров шунтов

3.4 Программное обеспечение расчета параметров коаксиального шунта

3.4.1 Среда графического программирования Lab VIEW

3.4.2 Описание программы расчета параметров шунта

3.5 Выводы к главе 3 103 ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования динамических 104 характеристик шунтов переменного тока

4.1 Методы экспериментальных исследований метрологических

характеристик шунтов

4.1.1 Метод сравнения с мерой

4.1.2 Метод обратного преобразования

4.1.3 Импульсный метод

4.2 Усовершенствованные методы исследований динамических

характеристик шунтов переменного тока

4.2.1 Исследование коэффициента преобразования шунта нулевым 113 методом

4.2.2 Определение верхней граничной частоты коаксиального шунта 116 импульсным методом

4.2.2.1 Алгоритм обработки результатов измерений

4.2.2.2 Исследование динамического поведения тестовой ЯС-цепи

4.2.2.3 Экспериментальное определение динамических 125 характеристик коаксиального шунта

4.3 Выводы к главе 4 137 Заключение 139 Список используемой литературы 141 Приложение А. Акты внедрения результатов диссертационной работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование динамических характеристик коаксиальных шунтов переменного тока»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

При испытаниях сильноточного электротехнического и электроэнергетического оборудования (мощных трансформаторов, силовых размыкателей, коммутаторов, защитных устройств, предохранителей и т.д.) качественная регистрация динамического поведения больших переменных токов в режиме короткого замыкания и в переходном режиме является одной из важнейших задач. При этом необходимо контролировать параметры изменения во времени как тестового сигнала, так и процессов в объекте испытаний. Для регистрации этих параметров необходимо иметь обладающие достаточной точностью измерительные преобразователи тока.

В качестве измерительных преобразователей тока произвольной формы традиционно используются широкополосные импульсные трансформаторы тока, датчики на эффекте Холла, пояс Роговского и резистивные шунты. С помощью трансформаторов тока можно измерять большие токи в широком частотном диапазоне, однако они подвержены влиянию внешних магнитных полей, могут входить в насыщение из-за токов короткого замыкания и имеют сравнительно высокую стоимость. Пояс Роговского требует применения интегрирующего устройства для определения параметров выходного сигнала и чувствителен к внешним магнитным полям. Перспективными для измерений импульсных и переменных токов остаются датчики Холла, но для них требуются внешние источники питания, и их свойства сильно зависят от температуры.

Наиболее подходящими для измерений больших токов сложной формы являются безындуктивные шунты, благодаря малой стоимости, высоким метрологическим характеристикам и сравнительной простоте изготовления. При регистрации больших быстроизменяющихся токов первостепенное значение приобретают динамические характеристики этих преобразователей.

Динамической называется характеристика, описывающая поведение шунта во временной и/или частотной областях. К таким характеристикам относятся

амплитудно-частотная (АЧХ), фазочастотная (ФЧХ) и переходная характеристики.

Большой вклад в теоретические и экспериментальные исследования динамических характеристик токовых преобразователей внесли зарубежные и отечественные ученые, например, Силсби Ф.Б., Малевски Р., Филипски П.С., Векслер М.С., Теплинский A.M., Болотин И.Б., Эйдель Л.З., Соудерс Т.М., Джонсон С.М. и др. Ими установлено, что на динамические свойства шунтов основное влияние оказывают собственная паразитная индуктивность и такие нежелательные явления как поверхностный эффект и эффект близости. Применение коаксиальной конструкции резистивного элемента шунта позволяет устранить проявление эффекта близости, повысить помехоустойчивость, уменьшить собственную индуктивность. Поэтому коаксиальные шунты могут обеспечить потенциально более высокие динамические характеристики по сравнению с другими видами шунтов.

Измерения и контроль параметров современного сильноточного оборудования требуют дальнейшего расширения динамического и частотного диапазонов используемых для этой цели резистивных преобразователей при сохранении и даже повышении их точности. В связи с этим актуально дальнейшее совершенствование динамических характеристик коаксиальных шунтов переменного тока.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов и средств совершенствования динамических характеристик коаксиальных сильноточных шунтов, предназначенных для регистрации токов сложной формы.

В связи с поставленной целью в работе сформулированы и решены следующие задачи:

1. анализ и выбор конструкции токового резистивного преобразователя, обеспечивающего измерение переменных токов в широких динамическом (до десятков килоампер) и частотном (до сотен килогерц) диапазонах;

2. исследование факторов, влияющих на динамические характеристики

коаксиальных шунтов;

3. разработка и программная реализация методики расчета геометрических и электрических параметров токовых шунтов, включая динамические характеристики;

4. разработка методов экспериментальных исследований метрологических характеристик шунтов на переменном токе и их апробация на изготовленном прототипе коаксиального шунта.

Методы исследования

Теоретическая часть работы выполнена на основе теории электромагнетизма, теории погрешностей, математического моделирования, дифференциального и интегрального исчисления. При расчетах и моделировании использовались программные пакеты ANS YS, Lab VIEW, MathCAD, MATLAB.

Достоверность полученных результатов диссертационной работы подтверждается совпадением с достаточной на практике точностью экспериментальных данных, полученных при апробации коаксиального шунта с применением эталонных средств измерений, с результатами моделирования и теоретических исследований. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных и производственных условиях с использованием современных прецизионных средств измерений, прошедших периодическую поверку.

Научная новизна

1. На основе анализа полного сопротивления коаксиального шунта предложен метод расширения его частотного диапазона не менее чем в три раза, с использованием амплитудных корректоров первого порядка.

2. Разработана и программно реализована методика инженерного расчета геометрических и электрических параметров безындуктивных токовых шунтов, включая динамические характеристики, с учетом результатов исследований их тепловых свойств и конструктивных особенностей.

3. Разработано и апробировано основанное на нулевом методе устройство для экспериментального определения малых значений комплексного сопротивления шунта в заданном диапазоне частот (защищен патентом на

полезную модель РФ 139577).

4. Предложен метод экспериментального определения амплитудно- и фазочастотных характеристик токового шунта, основанный на совместной цифровой обработке входного короткого импульсного воздействия и отклика на него; частотная зависимость коэффициента передачи шунта рассчитывается с помощью компонентов комплексных спектральных преобразований напряжений с выходов шунта и эталонного преобразователя тока (защищен патентом на изобретение РФ 2528588).

Практическая ценность работы

Результаты проведенной работы могут быть использованы для разработки и усовершенствования методов и средств измерений, направленных на определения амплитудных и временных параметров больших переменных токов, а также могут применяться при разработке методик аттестаций и измерений испытательного оборудования в измерительных лабораториях.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты исследований по теме диссертации использованы для выполнения при непосредственном участии автора следующих НИР:

• грант ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на проведение исследований по теме «Прецизионные резистивные и индуктивные преобразователи с улучшенными динамическими характеристиками», 2010-2012 гг., госконтракт № 1.387С.2010;

• грант ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» на проведение исследований по теме «Программно-аппаратный комплекс для автоматизированных испытаний сильноточных преобразователей», 2011-2013 гг., госконтракт № 11.519.11.6026;

• грант РФФИ по теме «Исследование метрологических характеристик резистивных преобразователей переменного тока», 2013 г., госконтракт № 13-08-90748 мол_рф_нр.

Результаты работы используются в ОАО "Новосибирский завод химкоицентратов" (ОАО НЗХК) для регистрации амплитудных и временных параметров тока источников питания контактной сварки.

Акты внедрения приложены к диссертационной работе.

Положения, выносимые на защиту

1. Предложенный в работе метод расширения частотного диапазона коаксиального шунта с использованием амплитудных корректоров первого порядка на основе активной RL-цепа позволяет не менее чем в три раза увеличить верхнюю граничную частоту при затухании на уровне 1 %.

2. Алгоритм определения геометрических и электрических параметров безындуктивных токовых шунтов, включая динамические характеристики, положенный в основу разработанной инженерной методики расчета шунтов, учитывает как их тепловые свойства, так и конструктивные особенности.

3. Разработанное на основе нулевого метода устройство для измерения малых значений комплексного сопротивления шунта в частотном диапазоне, ограниченном возможностями многозначной меры.

4. Разработанный метод экспериментального определения амплитудно- и фазочастотных характеристик токового шунта, основанный на совместной цифровой обработке входного короткого импульсного воздействия и отклика на него, позволяет определять верхнюю граничную частоту коэффициента передачи шунта с помощью компонентов комплексных спектральных преобразований напряжений с выходов шунта и эталонного преобразователя тока.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• XVII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2011», г. Томск, 2011 г.;

• IX Всероссийская научно-практическая конференция студентов,

аспирантов и молодых ученых с международным участием «Молодежь и современные информационные технологии МСИТ-2011», г. Томск, 2011 г.;

• VIII Международная научно-практическая конференция «Метрологическое обеспечение учета электрической энергии», г. Киев, Украина, 2011 г.;

• XIX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2013», г. Томск, 2013 г.;

• XIX Международный симпозиум ИМЕКО ТК 4, г. Барселона, Испания, 2013 г.;

• XX Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии СТТ 2014», г. Томск, 2014 г.

Публикации

Основные результаты исследований отражены в 16 публикациях: шесть статей в ведущих научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК; две статьи в рецензируемых научных журналах; шесть статей в сборниках трудов международных и российских конференций; патент на полезную модель и патент на изобретение.

Диссертационная работа состоит из четырех глав.

В первой главе «Безындуктивные резистивные преобразователи переменного тока» проведены патентные исследования и анализ отечественных и зарубежных источников, посвященных безындуктивным резистивным преобразователям больших переменных токов. Выделены основные виды бифилярных конструкций шунтов переменного тока: плоский, дисковый, стержневой и коаксиальный. Проведенный сравнительный анализ этих конструкций показал, что предпочтительной для измерений больших переменных токов в широкой полосе частот является коаксиальная конструкция шунта, благодаря малой стоимости, отсутствию эффекта близости, высокой

помехоустойчивости и температурной стабильности сопротивления.

Во второй главе «Аналитическое описание коаксиальных шунтов переменного тока» рассмотрены и исследованы факторы, влияющие на функцию преобразования, предложены амплитудные корректоры, позволяющие улучшить динамические характеристики коаксиального шунта. Проведены исследования передаточных характеристик коаксиального шунта, что позволило выделить два наиболее существенных конструктивных параметра, позволяющих получать требуемые динамические характеристики коаксиального шунта: способ подключения потенциальных выводов к поверхности резистивной трубки и ее толщина. Показано, что применение амплитудных корректоров, состоящих из звеньев первого порядка, позволяет уменьшить частотную погрешность (увеличить частотный диапазон шунта) не менее чем в три раза.

В третьей главе «Разработка программного обеспечения для расчета параметров шунтов» рассмотрена методика определения геометрических и электрических параметров безындуктивных токовых шунтов, включая динамические характеристики, положенная в основу разработанного инженерного калькулятора, учитывающего тепловые свойства и конструктивные особенности шунтов. С использованием калькулятора проведены расчеты требуемых параметров и по ним изготовлен прототип коаксиального шунта на 1 кА.

В четвертой главе «Экспериментальные исследования динамических характеристик шунтов переменного тока» предложены новые усовершенствованные методы (защищены патентами РФ), позволяющие определять метрологические характеристики шунтов: на основе нулевого метода и на основе импульсного метода. Описан принцип работы разработанного устройства, основанного на нулевом методе, которое позволяет измерять малые значения комплексного коэффициента преобразования шунта в заданном диапазоне частот. Апробация данного метода проводилась при определении коэффициента преобразования разработанного прототипа коаксиального шунта. Экспериментальные исследования проведены при фиксированном токе 0,1 А на частотах, обеспечиваемых калибратором Fluke 5520А в диапазоне от 1 до 30 кГц.

Описан принцип работы импульсного метода и на его основе алгоритм цифровой обработки импульсных сигналов, получаемых при экспериментальном исследовании шунта и позволяющий определить его динамические характеристики. Для экспериментальной проверки работоспособности предложенного метода определены динамические характеристики классической интегрирующей ЯС-цепи. С использованием данного метода проведены измерения динамических характеристик разработанного прототипа коаксиального шунта с компенсацией и без нее.

ГЛАВА 1

БЕЗЫНДУКТИВНЫЕ РЕЗИСТИВНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Выбор конструкции безындуктивного резистивного преобразователя переменного тока определяется его областью применения, номинальным значением тока и диапазоном рабочих частот. Современные применения шунтов переменного тока характеризуются необходимостью измерять токи в динамическом диапазоне от 30 А до 50 кА и частотном диапазоне от 0 до 1 МГц и выше [1-5].

Эта глава посвящена обзору конструкций резистивных преобразователей переменного тока. Более подробно рассмотрены бифилярные конструкции плоского и трубчатого шунтов переменного тока, поскольку они имеют наиболее широкое распространение.

1.1 Шунты переменного тока

Резистивный шунт переменного тока представляет собой измерительный преобразователь входного переменного тока в пропорциональное ему выходное переменное напряжение, фазовый сдвиг между которыми в идеальном случае должен быть равен нулю [6]. Такой резистивный преобразователь включается в электрическую цепь по четырехзажимной схеме (рисунок 1.1). Входной ток подается на токовые выводы (ТВ), а выходное напряжение снимается с потенциальных выводов (ПВ).

ТВ ! а

0ТВ2

ПВ1

и ПВ2

Рисунок 1.1 - Схематическое обозначение шунта

К резистивным преобразователям переменного тока, как и к любым измерительным преобразователям, предъявляются требования линейности функции преобразования в динамическом и частотном диапазонах.

Эти требования в определенной степени позволяет удовлетворить выбор для резистивного элемента шунта материала с большим удельным сопротивлением, например, манганин. Манганин выбирается чаще других сплавов (нихрома, константана, маргалина и др.), благодаря возможности обеспечения надежного электрического контакта с токовыми медными выводами, малым температурному коэффициенту сопротивления и удельной термо-ЭДС в паре с медью [7].

1.1.1 Электрическая модель шунта переменного тока

Шунт переменного тока описывается стандартной электрической моделью, состоящей из активного сопротивления индуктивности Ь и емкости С (рисунок 1.2).

С

I

ТВ1

ПВ1

£ИЬ

1 ь

ПВ2

о-

ТВ2

Рисунок 1.2 - Электрическая модель шунта переменного тока

Для измерений больших токов обычно используют шунт с сопротивлением менее 0,1 Ом, так чтобы влиянием паразитной емкости можно было пренебречь вплоть до высоких частот.

Из стандартной модели следует, что комплексный коэффициент преобразования 2 шунта определяется выражением [8]:

¿ = у = ^ + = (1.1)

где / - комплексный действующий ток;

11 - комплексное действующее напряжение;

со£ -реактивная составляющая, вызванная влиянием остаточного

магнитного поля; 2 - модуль коэффициента преобразования шунта; Ф - угол фазового сдвига между векторами тока / и напряжения и. В соответствии с выражением (1.1) комплексный коэффициент преобразования шунта имеет активную и реактивную составляющие. Активная составляющая представлена в виде активного сопротивления, которое определяется по формуле:

(1-2)

где /и и - значения входного тока и выходного напряжения.

Отношение комплексного коэффициента преобразования 2 к активному сопротивлению Ят (на постоянном токе) можно представить в виде:

2 + (1.3)

Кш М

где - относительная активная составляющая погрешности, учитывающая

изменение комплексного коэффициента преобразования шунта 2, вызванная влиянием паразитных эффектов; АК - приращение активного сопротивления за счет проявления паразитных эффектов (поверхностного эффекта и эффекта близости);

¥ - реактивная составляющая погрешности, учитывающая изменение комплексного коэффициента преобразования шунта 2, вызванная влиянием паразитного магнитного поля.

В соответствии с выражением (1.3) общая модель принимает вид, представленный на рисунке 1.3. Соответствующая ей векторная диаграмма шунта переменного тока показана на рисунке 1.4.

/ Яш АЯ ТВ1р "Г* 1-[

Ь

ПВ1

и

-о о-

ТВ2

ПВ2

Рисунок 1.3 - Электрическая модель шунта переменного тока

и

I м!

-и.-ъ -►

Я АЯ /

ш г

Рисунок 1.4 - Векторная диаграмма шунта переменного тока

Паразитные эффекты. Зависимость активного сопротивления шунта переменного тока от частоты сигнала вызвана влиянием паразитных эффектов, а именно поверхностного эффекта (скин-эффекта) и эффекта близости [9].

Поверхностный эффект (скин-эффект) выражается в неравномерном распределении плотности переменного тока по сечению резистивного элемента шунта. Плотность тока с повышением частоты сосредоточена в поверхностном слое и практически отсутствует в центральной части шунта. Следовательно, центральная часть сечения практически не используется, что приводит к увеличению активного сопротивления шунта при прохождении переменного тока относительно постоянного. Для определения динамических характеристик резистивных преобразователей тока на высоких частотах необходимо учитывать

вклад изменения сопротивления шунта, возникающего за счет скин-эффекта. По известной формуле можно рассчитать глубину скин-слоя:

где р - удельное сопротивление материала;

ц - магнитная проницаемость материала;

/ - частота сигнала.

С ростом частоты линии плотности электрического тока смещаются к внешней поверхности резистивного элемента, что уменьшает его поперечное сечение.

Уменьшение поперечного сечения ведет к изменению активной составляющей полного сопротивления шунта за счет скин-эффекта и вследствие этого уменьшается полоса пропускания. Однако, степень неравномерного распределения плотности тока зависит не только от частоты сигнала, но и от увеличения площади поперечного сечения и физических параметров используемого материала, а именно от магнитной проницаемости (1 и удельного сопротивления р резистивного элемента [9].

Эффект близости проявляется при протекании тока высокой частоты по проводникам, расположенным близко друг от друга, таким образом, нарушается равномерное симметричное распределение плотности тока по их сечениям. Распределения магнитных полей указывают на то, что при протекании однонаправленных токов в проводниках наблюдается вытеснение плотности тока к поверхностям проводников, наиболее удаленных друг от друга. Если по проводам протекают противоположно направленные токи, то наибольшее значение плотность тока достигает в близкорасположенных поверхностях.

Вызываемая эффектом близости неравномерность распределения тока по сечению проводов приводит к увеличению потерь энергии, а также к увеличению разницы активного сопротивления шунта между переменным и постоянным токами.

(1.4)

1.1.2 Метрологические характеристики шунта

Основными метрологическими характеристиками измерительного преобразователя переменного тока, в том числе и шунта, в соответствии с ГОСТ 8.009 являются:

- коэффициент преобразования (функция преобразования);

- динамические характеристики.

Для шунта, предназначенного для измерений больших переменных токов, помимо характеристик определенных в [10], необходимо учитывать энергетические характеристики (нагрузочная способность).

Нагрузочная способность. Под нагрузочной способностью понимается максимальная энергия, выделяемая на шунте, при которой температура перегрева не превышает установленного значения. В шунтах, используемых для измерений однократных импульсов или повторяющихся кратковременных сигналов, имеет место адиабатический режим нагревания. При этом вся энергия, выделяющаяся при протекании тока по резистивному элементу, расходуется на его нагрев. Соответствующая нагрузочная способность резистивного элемента определяется интегралом Джоуля:

где /(О _ измеряемый ток;

/ - время воздействия сигнала тока; с - удельная теплоемкость материала; у - плотность материала;

АТ - температура перегрева резистивного элемента шунта; 5 - площадь поперечного сечения;

а - температурный коэффициент сопротивления материала. Пользуясь выражением (1.5) можно для заданной нагрузочной способности определить площадь поперечного сечения резистивного элемента и максимально возможное значение тока.

(1.5)

Динамическая характеристика. Важнейшим качественным показателем шунта является динамическая характеристика (ДХ), которая описывает его поведение в частотной и временной областях, т.е. при изменении во времени измеряемой величины.

Выделяют пять видов динамических характеристик средств измерений [10]:

- дифференциальное уравнение;

- импульсная характеристика;

- переходная характеристика;

- передаточная функция;

- совокупность амплитудно- и фазочастотной характеристик.

Для токового шунта в основном нормируются переходная, импульсная, амплитудно- (АЧХ) и фазочастотная (ФЧХ) характеристики. Для определения данных характеристик необходимо воздействовать на шунт следующими сигналами:

- ступенчатым импульсом, описываемым единичной функцией;

- единичным импульсом, описываемым дельта-функцией или функцией Дирака;

- синусоидальным установившимся сигналом.

Между динамическими характеристиками средств измерений существует связь, следовательно, имеется возможность определить любую другую.

В динамическом режиме характер изменения функции преобразования шунта можно описать линейным дифференциальным уравнением (1.6) с постоянными коэффициентами:

+ Вт-1 т_1 + ••• + -

(1.6)

Л(0

ж

где у - выходная величина; х - входная величина.

Передаточная функция получается из дифференциального уравнения (1.6):

щр) = Ш = В0 + РВ1+- + РтВт (L7)

Х{р) А0 + рАх+...+ рпАп

Для получения комплексной частотной характеристики необходимо в выражении (1.7) сделать замену р на jeо, тогда получим формулу:

W(jco) = Р{со) + jQ(oj) = А(со)еМю}. (1.8)

Связь импульсной g(t) и переходной h{t) характеристик определяется соотношением:

«(0 = ^. (1-9)

dt

Импульсная характеристика связана с передаточной функцией соотношением:

g{t) = L-X[W{p)], (1.10)

где ¿Г1 - обратное преобразование Лапласа.

Отсюда с учетом (1.9) и (1.10) получим формулу для переходной характеристики:

h(t) = L~]

0-11)

Основные метрологические характеристики резистивных преобразователей тока зависят от конструктивных особенностей резистивного элемента шунта. Поэтому далее рассмотрим существующие конструкции шунтов.

1.2 Конструкции шунтов переменного тока

Для регистрации больших токов в широком частотном диапазоне используются шунты с бифилярным расположением элементов, содержащие проводники с прямым и обратным направлением тока. Такая конструкция позволяет существенно снизить собственную индуктивность шунта [И].

В соответствии с конструктивным исполнением резистивного элемента выделяют плоские, дисковые, стержневые и коаксиальные шунты переменного тока. На практике для измерений быстроизменяющихся сигналов чаще используются плоские и коаксиальные резистивные преобразователи, которые будут рассмотрены подробнее.

1.2.1 Плоские шунты

Плоский шунт переменного тока представляет собой одну из наиболее простых конструкций для изготовления. Бифилярная конструкция плоского шунта показана на рисунке 1.5. На медные токовые выводы 3 и 4 подается измеряемый ток, который проходит по сложенной вдвое ленте 1, выполненной из резистивного материала с высоким удельным сопротивлением, например манганина. Между внутренними поверхностями ленты имеется зазор 2.

Анализ электромагнитных процессов в шунте плоской конструкции позволяет получить аналитическое выражение для его динамических характеристик при различных формах входного тока [12]. Поскольку ширина Ъ и длина /л всегда значительно больше толщины А пластины, принимаем, что электромагнитная волна распространяется вдоль оси X. Следовательно, дифференциальные уравнения Максвелла в операторной форме можно записать в виде [13]:

dH{p) _ Е(р) ^

dx р

(1.13)

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бедарева, Елена Вячеславовна, 2014 год

Список используемой литературы

1. Muravyov S.V. A Computer System: Measurement of Welding Surge Current / S.V. Muravyov, V.N. Borikov, N.M. Natalinova // Measurement and Control. - 2009. - Vol. 42 - №. 2. - P. 44-47.

2. Muravyov S.V. Model of procedure for measurement result correction. Proceedings of the XVI IMEKO World Congress, (September 25-28, 2000, Vienna, Austria) - Vol. 5. - P. 135-139.

3. Muravyov S.V. Computer system for measurement of welding process parameters / S.V. Muravyov, V.N. Borikov, S.A. Kaysanov // Metrology for a Sustainable Development: XVIII IMEKO World Congress (September 22-27, 2006, Rio de Janeiro, Brazil) - Vol. 4. - P. 121-125.

4. Бориков B.H. Программно-аппаратный комплекс для исследования микроплазменных процессов в растворах / В.Н. Бориков, П.Ф. Баранов, А.И. Мамаев//Приборы,-2011.-№ 12.-С. 53-58.

5. Kawamura Т. Recent Developments on High Current Measurement Using Current Shunt / T. Kawamura, E. Haginomori, Y. Goda, T. Nakamoto // Transactions on electrical and electronic engineering. - 2007. - Vol. 2. - №. 5. - P. 516-522.

6. Векслер M.C. Оценка частотных погрешностей шунтов переменного тока / М.С. Векслер, А.М.Теплинский // Метрологическое обеспечение электроприборостроения. - 1984. - С. 45-48.

7. Теплофизические свойства веществ и материалов. Государственная служба стандартных и справочных данных; под ред. В. А. Рабиновича. - М.: Изд-во стандартов, 1970. - 135 с.

8. Векслер М.С. Шунты переменного тока / М.С. Векслер, A.M. Теплинский. - JL: Энергоатомиздат, 1987. - 120 с.

9. Нейман JI. Р. Теоретические основы электротехники: учеб. для вузов / JI. Р. Нейман, П. JI. Калантаров. - 5-е изд., перераб. - М.: Госэнергоиздат, 1959. -296 с.

10. ГОСТ 8.009-84 Государственная система обеспечения единства

измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений. --М.: Изд-во стандартов, 1984. -44 с.

11. Johnson С.М. Current measurement using compensated coaxial shunts/ C.M. Johnson, P.R. Palmer // IEE Proceedings - Science, Measurement and Technology. - Vol. 141. - №. 6. - 1994. - P. 471-480.

12. Векслер M.C. Прецизионные шунты для звукового диапазона частот / М.С. Векслер, Л.Т. Жданович, М.В. Попов, A.M. Теплинский // Труды ВНИИЭП «Элементы, узлы, блоки средств электроизмерительной техники». - 1981. - С. 5862.

13. Аполонский С.М. Дифференциальные уравнения математической физики в электротехнике: учеб. для вузов / С.М. Аполонский. - СПб.: Питер, 2012.-352 с.

14. Пентегов И.В. Измерение и запись импульсов сварочного тока с использование плоских шунтов / И.В. Пентегов // Автоматическая сварка. - 1964. -№2.-С. 59-66

15. Калантаров П.Л. Расчет индуктивностей: учеб. для вузов / П.Л. Калантаров, Л.А. Цейтлин. - 3-е изд. - Л.: Энергоатомиздат, 1986. - 488 с.

16. А.С. 901918 СССР, МПК G 01 R 19/00. Шунт переменного тока / Векслер М.С., Жданович Л.Т., Попов М.В., Теплинский A.M. (СССР). -294128/18-21; заявлено 13. 06. 80; опубл. 30. 01. 82, Бюл. 4. - С.4.

17. Ferreira J.A. Integration of High Frequency Current Shunts in Power Electronic Circuits / J.A. Ferreira, W.A. Cronje, W.A. Relihan // IEEE Transactions on Power Electronics. - Vol. 10. -№ 1. - 1995. - P. 32- 37.

18. Castelli F. The Flat Strap Sandwich Shunt // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - Vol. 48. -N.5. - 1999. - P. 894- 898.

19. Laug O.B. A four -terminal current shunt with calculable AC response / O.B. Laug, T.M. Souders, B.C. Waltrip // NIST Technical Note 1462, Electronics and Electrical Engineering Laboratory, Gaithersburg, USA. - August 2004. - P. 48-52.

20. A.C. 658484 СССР, МПК G 01 R 19/04. Шунт измерительный / Иванов

A.С., Коморин Л.В., Латманизова Г.М. (СССР). - 2087977/18-21; заявлено 25.12.74; опубл. 25.04.79, Бюл. 15. - С. 3.

21. А.С. 813267 СССР, МПК G 01 R 19/04. Коаксиальный шунт / Дрозд

B.C., Номеровский Б.Л. (СССР). - 2087977/18-21; заявлено 17.03.75; опубл. 15.03.81, Бюл. 10.-С. 4.

22. А.С. 568975 СССР, МПК G 01 R 19/04. Шунт для импульсных токов / Гостева Т.С., Заблоцкая Г.Р., Иванов Б.А., Саркан В.Н., Чернобровин В.И. (СССР). - 2136369/21; заявлено 20.05.75; опубл. 15. 08. 77, Бюл. 30. - С.З.

23. Bosco G.C. Phase Comparison of High-Current Shunts up to 100 kHz / G.C.Bosco, M.Garcocz, K. Lind, U. Pogliano, G. Rietveld, V. Tarasso, B. Voljc, V.N. Zachovalova // IEEE Transactions on instrumentation and measurement. - Vol. 60. -№ 7. - July 2011. - P. 2359-2365

24. Болотин И.Б. Измерения при испытании аппаратов в режимах короткого замыкания: учеб. для вузов / И.Б. Болотин, Л.З. Эйдель. - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1988. - 200 с.

25. Бедарева Е.В. Аналитическое описание динамических характеристик коаксиальных шунтов // Современные техника и технологии: сборник трудов XIX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 15-19 апреля 2013 г.) / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). - 2013. - Т. 1 . -С. 127-128

26. Filipski P.S. AC-DC current transfer standards and calibrations at NRC / P.S. Filipski, M. Boecker// Symposium of Metrology (Mexico). 2006. - P. 481-494.

27. Malewski R. Micro-ohm shunts for precise recording of short circuit currents // IEEE transactions on Power Apparatus and Systems - Vol. PAS-96. - № 2. -March/April 1977.-P. 579-585.

28. Вицинский C.A. Коаксиальный шунт / C.A. Вицинский, В.И. Кулаков, Ю.А. Твердов // ПТЭ. - 1981.-№ 1. - С. 57-61.

29. А.С. 696387 СССР, МПК G 01 R 19/00. Прецизионный шунт /

О.В.Безбородко, Н.Н. Ефимов, В.А. Кругляницо, Ю.В. Чижков (СССР). -2514758/18; заявлено 03.08.77; опубл. 05.11.79, Бюл. 41. - С. 3.

30. Filipski P.S. AC-DC current shunts and system for extended current and frequency ranges / P.S. Filipski, M. Boecker // IEEE Transactions on instrumentation and measurement (August 2006). - Vol. 55 - № 4. - pp. 1222-1227.

31. Бедарева E.B. Исследование динамических характеристик коаксиального шунта // Современные техника и технологии: сборник трудов XVII международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 18-22 апрель 2011 г.) / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). - 2011. - Т. 1 . -С. 156-157

32. Malewski R. Elimination of the Skin Effect Error in Heavy-Current Shunts / R. Malewski, C.T. Nguyen, K. Feser, N. Hylten-Cavallius // IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems (March 1981). - Vol. PAS-100. -№ 3. - P. 1333-1340.

33. Moran P. Coaxial shunt intended for transient current measurement in a pseudospark switch / P. Moran, Gibert A., G.J. Francois, P. Pignolet // IEE Proceedings. Science, Measurement and Technology (March 1996). - Vol. 143. - № 2. - P. 119-124.

34. Silsbee F.B. A study of the inductance of four-terminal resistance standards / F.B. Silsbee // NBS Scientific Paper. - July 1916. - № 281 - P. 427.

35. Ferreira J. A. Integration of High Frequency Current Shunts in Power Electronic Circuits / J. A. Ferreira, W. A. Cronje, W. A. Relihan // IEEE Transactions on Power Electronics. - Vol.10. - № 1. - 1995. - P. 32-37.

36. Фальковский Н.И. Коаксиальный шунт для измерения больших импульсных токов // ПТЭ. - 1973. - № 1. - С. 8-13.

37. http://www.tandmresearch.com

38. Voljc В. Coaxial current shunts from 1 mA to 100 A / B. Voljc, M. Lindic, B. Pinter, R. Lapuh, Z.Svetik // Power and Energy Workshop. - 22-23 March 2011. - P. 10-22.

39. http://www.nist.gov

40. Ferrero R. Analytical study of impulse current measuring shunts with cage configuration / R. Ferrero, M. Marracci, B. Tellini // IEEE Transactions on instrumentation and measurement. - Vol. 61. - № 5. - May 2012. - P. 1260-1267

41. Pogliano U. AC-DC transfer standard shunts for frequencies up to 1 MHz / U. Pogliano, G.C. Bosco, M. Lanzillotti, D. Serazio // Proceedings of the 15th IMEKO TC4 Symposium on Novelties in Electrical Measurements and Instrumentation, Iasi (Romania). - September 2007. - Vol. 1. - P. 232-237.

42. http://ru.flukecal.com

43. http://www.marsenergo.ru/files/catalog/44/Pasport SHE.pdf

44. http://www.mars-energo.ru

45. http://www.dacpol.eu

46. http://www.ohm-labs.com/precision-shunts/ac-shunts.html

47. http://minenergo.gov.ru/press/company news/17008.html

48. Бедарева E.B. Влияние способов подключения потенциальных выводов на динамические характеристики коаксиальных шунтов / Е.В. Бедарева, Э.И. Цимбалист, С.В. Муравьев, П.Ф. Баранов // Известия Томского политехнического университета.-2013.-Т. 322.-№. 4.-С. 159-164.

49. ГОСТ 492-2006. Никель, сплавы никелевые и медно-никелевые обрабатываемые давлением. Марки. - Введ. 2008-01-01. - М.: Изд-во Стандартинформ, 2008. - 15 с.

50. Ланнэ А.А. Оптимальный синтез линейных электрических цепей: учеб. для вузов / А.А. Ланнэ. - М.: Связь, 1969. - 294 с.

51. Бориков В.Н. Методы и средства измерений электрических параметров процесса формирования покрытий при импульсном энергетическом воздействии в растворах: дис... докт. тех. наук: 05.11.01: защищена 29.03.12 / Бориков Валерий Николаевич. - Томск, 2012. - 302 с.

52. Наталинова Н.М. Исследование резистивных преобразователей для компьютерных систем измерения токов сложной формы в составе технологических установок : автореф. дис...канд. тех. наук / Н.М. Наталинова. -

Томск: ТПУ, 2009.-18 с.

53. Park J. Н. Shunts and inductors for surge-current measurements // Part of Journal of the National Bureau of Standards. - September 1947. - Vol. 39. - P. 191212.

54. Гарднер И. А. Жидкостное охлаждение мощных полупроводниковых приборов / Электроника. - 1974. - №4. - С. 47-55.

55. Залесский JI.M. Тепловые расчеты электрических аппаратов: учеб. для вузов / J1.M. Залесский, Г.А. Кукеков. - Л.: Энергия, 1967. - 379 с.

56. Исаченко В.П. Теплопередача: учеб. для вузов / В.П.Исаченко, В.А.Осипова, A.C. Сукомел. - М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

57. Михеев М.А. Основы теплопередачи: учеб. для вузов / М.А. Михеев, И.М. Михеева. - 2-е изд., стереотип. - М.: Энергия, 1977. - 344 с.

58. http://www.ansys.com

59. http://www.femlab.com

60. http://www.algor.com

61. http.y/www.mscsoftware.com/product/msc-nastran

62. http://www.cosmosm.com

63. http://www.vektorfields.com

64. http://femm.berlios.de

65. http://cadfem.ru

66. http://www.comsol.com

67. Чигарев A.B. ANS YS для инженеров: справочное пособие / A.B. Чигарев. - М.: Машиностроение-1, 2004. - 512 с.

68. Буль К.А. ANSYS в примерах и задачах: учебник / К.А. Буль. - М.: КомпьютерПресс, 2002. - 223 с.

69. Бедарева Е.В. Исследование распределения температурного поля коаксиального шунта методом конечных элементов / Е.В. Бедарева, Е.В. Костин // Современные техника и технологии: сборник трудов IX международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 11-

13 мая 2011 г.) / Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). - Т. 1 - С. 280-281.

70. Хлыпало Е.И. Расчет и проектирование нелинейных корректирующих устройств в автоматических системах: учебник / Е.И. Хлыпало. - Л.: Энергоиздат, 1982.-272 с.

71. Туз Ю.М. Структурные методы повышения точности измерительных устройств: учеб. пособие для вузов / Ю.М. Туз. - Киев.: Издательское объединение «Вища-школа», 1976. - 256 с.

72. Гехер К. Теория чувствительности и допусков электронных цепей: учеб. для вузов / К. Гехер; под ред. Ю.Л. Хотунцева. - М.: Советское радио, 1973. -200 с.

73. Сильвинская К.А. Расчет фазовых и амплитудных корректоров: справочник / К.А.Сильвинская, З.И. Голышко - 2-е изд, доп. и перераб. - М.: Связь, 1980.- 104 с.

74. Бедарева Е.В. Расширение амплитудно-частотных характеристик коаксиальных шунтов / Е.В. Бедарева, Э.И. Цимбалист, П.Ф. Баранов, A.A. Левицкий // Измерительная техника. - 2014. - № 7. - С. 56-61.

75. Калниболотский Ю.М. Расчет чувствительности электронных схем: учеб. / Ю.М. Калниболотский, H.H. Казанджан, В.В. Нестер. - К.: Техшка, 1982. -176 с.

76. Титце У. Полупроводниковая схемотехника: учеб. для вузов / У. Титце, К. Шенк- пер. с нем., в 2 т. - М.: Додэка-ХХЩМК, 2008. - 942 с.

77. Бедарева Е.В. Автоматизированный расчет параметров плоских шунтов переменного тока / Е.В. Бедарева, П. Ф. Баранов, А. А. Левицкий // Вестник науки Сибири: электронный научный журнал / Томский политехнический университет (ТПУ). - 2013. -№ 4 (10). - С. 42-47. -(http://sis.tpu.ru/iournal/article/view/810/568)

78. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии: учеб. для вузов / А. Г. Касаткин. - 15-е изд., стер. - М.: Альянс, 2009. - 750 с.

79. Тревис, Д. Lab VIEW для всех: учеб. / Д. Трэвис, Д. Кринг. - М.: ДМК

Пресс, 2011.-880 с.

80. Пейч Л.И. Lab VIEW для новичков и специалистов: учеб. / Л.И. Пейч, Д.А. Точилин, Б.Л. Поллак. - М.: Горячая линия - Телеком, 2004. - 384 с.

81. Виноградова, H.A. Разработка прикладного программного обеспечения в среде Lab VIEW: учеб. пособие / H.A. Виноградова, Я.И. Листратов, Е.В. Свиридов. - М.: Издательство МЭИ, 2005. - 50 с.

82. Бедарева Е.В. Расчет тепловых параметров коаксиальных шунтов // VIII научно-практическая конференция «Метрологическое обеспечение учета электрической энергии в Украине» (Киев, 01 - 02.11) - С. 48-53.

83. ГОСТ Р 51672-2000. Метрологическое обеспечение испытаний продукции для целей подтверждения соответствия. Основные положения. - Введ. 2001-07-01. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2001. - 20 с.

84. Cherbaucich С. Evaluation of the dynamic behaviour of heavy current shunts / C. Cherbaucich, G. Crotti, N. Kuljaca, M. Novo // Proceedings of the XVII IMEKO World Congress "Metrology in the 3rd Millennium" (June 22-27, 2003, Dubrovnik, Croatia). - 2003. - P. 586-589.

85. Глебович Г.В. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов: учеб. / Г.В. Глебович, В.А. Андриянов, Ю.В. Введенский и др. - М.: Радио и связь, 1984. - 256 с.

86. Патент 139577 Российская федерация, МПК G01R35/00. Устройство для поверки шунтов / Баранов П.Ф., Бориков В.Н., Бедарева Е.В., Цимбалист Э.И. / заявитель и патентообладатель Томский политехнический университет (RU). -2013138790/28; заявл. 20.08.2013; опубл. 20.04.2014.

87. Патент на изобретение 2528588 Российская федерация, МПК G01R35/00. Устройство для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик токовых шунтов / Заревич А.И., Муравьев С.В., Бедарева Е.В. / заявитель и патентообладатель Томский политехнический университет (RU). -2013119851; заявл. 30.04.2013; опубл. 27.08.2014, Бюл. 24.

88. Любимов Л.И. Поверка средств электрических измерений: справочная

книга / JI.И. Любимов, Н.Д. Форсилова, Е.З. Шапиро. - Л.: Энергоатомиздат, 1987.-237 с.

89. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений: учебник - перевод с англ. - М.: Мир, 1990. - 535 с.

90. Патент 2241238 Российская федерация, МПК G01R35/00. Устройство для поверки шунтов постоянного тока / Ломтев Е.А., Нефедьев Д.И. / заявитель и патентообладатель Пензенский государственный университет (RU). — 2003108324/28; заявл. 26.03.2003; опубл. 27.11.2004.

91. Нефедьев Д.И. Метод поверки (калибровки) резистивных преобразователей больших постоянных токов // Датчики и системы - № 5 - 2006. -С. 47-51.

92. Патент 2314550 Российская федерация, МПК G01R35/00. Устройство для поверки шунтов постоянного тока / Нефедьев Д.И. / заявитель и патентообладатель Пензенский государственный университет (RU). -2006101772/28; заявл. 23.01.2006; опубл. 10.01.2008.

93. Патент 80585 Российская федерация, МПК G01R35/00 . Устройство для поверки шунтов / Муравьев С.В., Бориков В.Н., Наталинова Н.М. / заявитель и патентообладатель Томский политехнический университет (RU). -2008138650/22; заявл. 29.09.2008; опубл. 10.02.2009.

94. Borikov V.N. Computer system for measurement of high voltage signal during plasma process in solution // Proceedings of the 16th IMEKO TC-4 International symposium "Exploring new frontiers of instrumentation and methods for electrical and electronic measurement" and 13th Workshop on ADC Modelling and Testing (Florence, Italy, September 22-24). - 2008. - P. 254-258.

95. Любимов Л.И. Вопросы поверки и аттестации масштабных преобразователей переменного тока / Л.И. Любимов, И.Д. Форсилова, Е.З. Шапиро. - М.: Машиностроение, 1984. - 10 с.

96. Семенко Н.Г. Методы и средства измерений больших постоянных токов и их метрологическое обеспечение / Н.Г. Семенко, Ю.А. Гамазов. - М.:

Издательство стандартов, 1982 - С. 37-41.

97. Патент № 2271018 РФ. Способ и устройство для определения погрешности измерительного шунта на большие значения постоянного тока / Болотин И.Б., Клионский М.Д., Пузырева И.А.

98. Cherbaucich С. Evaluation of the characteristics of calibrators and PD measuring systems according to IEC 60270 / C. Cherbaucich, G. Rizzi, R. Gobbo, G. Pesavento // 12th ISH Bangalore. - 2001. - Paper 6.71. - P. 186-189.

99. Mayr C. Transient responses of activity-dependent synapses to modulated pulse trains/ C. Mayr, J. Partzsch, R. Schuffny // Neurocomputing. - Vol. 73. - Issues 13. - December 2009. - P. 99-105.

100. Бендат Дж. С. Применения корреляционного и спектрального анализа: учебник / Дж. С. Бендат, А. Дж. Пирсол. - пер. с англ. - М.: Мир, 1983. - 312 с.

101. Бедарева Е.В. Цифровая обработка импульсных сигналов для определения частотных характеристик преобразователей тока / А.И. Заревич, С.В. Муравьев, Е.В. Бедарева, О.Н. Величко // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 320. - № 5: Управление, вычислительная техника и информатика. - С. 116-120

102. Мэтыоз Д.Г. Численные методы. Использование MATLAB: учеб. для вузов / Д.Г. Мэтьюз, К.Д. Финк - 3-е изд.: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильяме», 2001. - 720 с.

103. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов: учеб. для вузов /

B.C. Гутников-JI.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990. - 192 с.

104. Бедарева Е.В. Импульсный метод определения частотных характеристик сильноточных шунтов / А.И. Заревич, С.В. Муравьев, Е.В. Бедарева, С.Р. Карпенко // Известия Томского политехнического университета -2012.-Т. 321.-№4: Энергетика. - С. 137-140

105. Бедарева Е.В. Аппаратно-программный комплекс для автоматизированных испытаний сильноточных преобразователей / А.И. Заревич,

C.В. Муравьев, Е.В. Бедарева, П.Ф. Баранов, С.В. Сарычев // Известия Томского

политехнического университета. - 2013. - Т. 322. - № 4: Энергетика. - С. 180-184 106. Bedareva Е. Digital signal processing in pulse method for measuring frequency response function of high-current shunt / A. Zarevich, S. Muravyov, E. Bedareva // 19th IMEKO TC 4 Symposium "Advances in Instrumentation and Sensors Interoperability" (July 18-19, 2013, Barcelona, Spain). - 2013. - P. 496-500.